超分子化学

超分子化学周小平电话:86503795Email:[e-mail]第一章绪论超分子化学是一门高度交叉的学科，它涵盖了比分子本身复杂得多的化学物种的化学、物理和生物学特征，并通过分子间(非共价)键合作用聚集、组织在一起。这个相对年轻的领域已被定义和概念化成一个结构严谨的体系，其基础涉及到有机化学及构造分子的合成路线、配位化学及金属离子－配体复合物、物理化学及对相互作用力的实验和理论研究、生物化学及一切起源于底物缔合和识别的生物过程、材料科学及固体的机械性质。处于化学、生物学和物理的交汇点的超分子化学研究可从多种学科中汲取营养，因而具有广阔的发展前景是它的主要特点。超分子化学与凝聚态物理有渊源关系，并在大分子有序体生物学的基础上扩展，现已发展成了超分子科学。简介本课程讲述的内容•超分子化学定义内涵、主要原理、知识领域及研究对象。•超分子化学的两大最重要研究领域：分子识别及自组装。•超分子化学的应用及具体例子举证课程考核方法1）平时成绩（20%）2）课堂陈述（30%，）3）开卷考试（50%）学习目标认识了解超分子化学。掌握超分子化学的主要原理。学习超分子化学的两大重要领域：分子识别及自组装。学习超分子化学的应用。参考书：•超分子化学------概念和展望：Jean-MarieLehn•超分子化学：J.W.Steed和J.L.Atwood•纳米超分子化学---------从合成受体到功能组装体：张宪网络资源：•Journal:SupramolecularChemistry:•南开大学刘育教授•超分子化学（在线版）=index&bcsId=4735&itemId=0470512342国际权威化学期刊•ACS：•Wiley：•RSC：•Sciencedirect：化学是关于物质相互作用、变化和模拟的科学。基本离子组成原子,原子组合成复杂的分子,分子再继续缔合成聚集体,再在此基础上产生细胞,然后生命就形成了。化学是什么科学？化学是关于物质及其变化的一门科学，而生命是其最高表现形式化学也是一门关于转化的科学，是信息中心，是简单和复杂、物理定理和生命规律、基础和应用的交汇点。ChemIsTry?分子化学•以单个分子的合成构筑及性质研究为主的科学，分子构筑主要依赖于共价键的打破或形成。•目前，分子化学已经取得了辉煌的成就，已发展了一系列高度复杂、有效的方法来构筑具有前所未有复杂性的分子结构，而这是以精确和被控制的方式来实现的。B12，R=腺苷超分子化学超分子化学－分子之外的化学，超越分子的化学是有关于两个或两个以上的化学物种通过分子间作用力缔合在一起而形成的具有更高复杂性的有组织实体。超分子之于分子和分子间价键，就如同分子之于原子和共价键。原子、分子、超分子－字母、单词、句子Molecularchemistry,thechemistryofthecovalentbond,isconcernedwithuncoveringandmasteringtherulesthatgovernthestructures,propertiesandtransformationsofmolecularspecies.Supramolecularchemistrymaybedefinedas“chemistrybeyondthemolecule”,bearingontheorganizedentitiesofhighercomplexitythatresultfromtheassociationoftwoormorechemicalspeciesheldtogetherbyintermolecularforces.Itsdevelopmentrequirestheuseofallresourcesofmolecularchemistrycombinedwiththedesignedmanipulationofnon-covalentinteractionssoastoformsupramolecularentities,supermoleculespossessingfeaturesaswelldefinedasthoseofmoleculesthemselves.Onemaysaythatsupermoleculesaretomoleculesandtheintermolecularbondwhatmoleculesaretoatomsandthecovalentbond.MolecularchemistryandSupramolecularchemistry1987年诺贝尔化学奖Pederson:“冠醚的发现”(1904-1989)CramDJ(1919-2001)“分子主客体以及它们的配合物的设计”LehnJM(1939-至今）被称为“超分子化学之父”。“超分子化学——范围与展望、分子、超分子和分子器件”Pederson的贡献•1967年Pederson等第一次发现了冠醚。他原先想合成的是一个非环聚醚(多元醚)，但在纯化过程中分离出极少量产率仅0.4%的丝状有纤维结构并不溶于羟基溶剂的白色晶体。受好奇心驱使，他进行了深入研究，发现它是一种大环聚醚，即命名为冠醚，它是由于非环聚醚前体与碱金属离子配位结合，阳离子使配体预组织后更有利于环化而形成的。这可以说是第一个在人工合成中的自组装作用。冠醚的发现Cram的贡献•Cram受到酶和核酸的晶体结构以及免疫系统专一性的启发，从1950年代起就想设计和合成较简单的有机化合物，来模仿自然界存在的一些化合物的功能，他认识到高度结构化的配合物是中心，Pederson的工作一发表，他就意识到这是一个入口，由此开展了系列的主客体化学的研究。主客体也就是生物学中常采用的受体与基质，它们间的作用是典型的自组装作用。Lehn的贡献•Lehn建议将超分子化学定义为“超出分子的化学”(Chemistrybeyondthemolecule)。早在1966年，对于神经系统中的过程的兴趣，促使他想到一个化学家如何为这种最高生物功能的研究作出贡献，由于神经细胞运作与跨越细胞膜的Na+和K+的分布变化有关，因而想设计合成环肽来监控膜间K+的传递。Pederson工作发表后，Lehn意识到这种物质可以将大环抗菌素的配价能力与醚的化学稳定性结合起来，进一步考虑到具有三维球形空腔的物质，能够整体包围离子，将形成比平面大环更强的配合物，由此设计了大双环配体、多重识别配体等，研究了它们的结构、催化性能、传递性能，并进一步进行分子器件的设计。超分子化学的起源PaulEhrlich－“分子如不结合，就不会起作用”－引入受体的概念EmilFischer－“但结合一定是有选择的”－“锁和钥匙”立体匹配原理－分子识别AlfredWerner－提出配位的观点－选择确定性最终需要相互作用，即参与者之间的亲和力－超分子化学可看成是广义的配位化学影响超分子化学的因素：对新概念的内涵，对分散的、似乎不相关的观察、数据、结果的意义，以及它们在新概念下作为一整体的认识。要有工具来研究该领域中的对象。难点：非共价作用的低能量，超分子物种的相对不稳定.IR、UV、NMR、质谱、X射线衍射等技术的发展科学领域的成熟，使得对新领域产生的共鸣非但在本学科中能看到，而且在密切相关的，以及只在一定程度上相关的领域中也能看到。超分子化学的研究内容分子识别－离子客体的受体和分子客体的受体(如,经典的环糊精);生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学－晶体工程、二维和三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板、自组装和自组织；超分子技术－分子器件及分子技术的应用。受体－通过共价键结合的有机结构，这种结构有能力通过分子各种相互作用力选择性地结合离子或分子底物；底物－指被结合的较小组分；受体＋底物选择性结合超分子受体-低物ACBDSynthesisCovalentBondsReceptorSubstrateComplexationIntermolecularBondsSupramolecularRecognitionTransformationTranslocationMolecularandSupramolecularDevicesOrganizedAssembliesPolymolecular超分子过程受体底物超分子相互作用转换识别易位自组织自组装供能组分分子/超分子器件合成共价键ABCD分子化学超分子化学分子识别（molecularrecognition）•概念－分子识别是指主体（受体）对客体（底物）选择性结合并产生某种特定功能的过程。•作用力－非共价键力的分子间的作用力：范德华（vanderWaals）力疏水相互作用氢键影响受体和底物识别的几个因素：受体和底物间的立体（形状和尺寸）互补，即在受体或底物的适当位置上有凹或凸的区域；作用力互补，即在受体和底物的适当位置上有互补结合点（如正/负静电力，电荷/偶极，偶极/偶极，氢键给/受体，等）以便获得互补的电和核分布图（静电、氢键和范德华力）；受体和底物间有较大的接触区域，即含有多个相互作用的位点，因为非共价键比共价键要弱好多；大区域强结合；为了获得有效的识别，不仅要求高稳定性和高选择性，还要求受体和底物间的强结合。分子组装（molecularassembly)•基本概念－组装，自组装•组装－一个系统的要素按着特定的指令，形成特定的结构或功能的过程；•自组装－self-assembly，指系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契形成特定结构与功能的过程。超分子自组装及自组织•超分子自组装包括一些或许多组分的自发联合形成分立的寡聚超分子或伸展的多分子有序体，如分子层、薄膜、膜结构等。•超分子的形成是分子导向性识别引起的特定的、有限数目分子的组分在分子间的非共价相互作用控制下聚集到一起的自发过程。•超分子自组织：是一组相互交叉的、有序的自组装。自组织的特点1）空间上或时间上都表现出自发的有序性的体系。2）空间结构和平衡结构和非平衡两者的瞬态动力学的有序性，耗散结构的有序性，结合的非线性化学过程的有序性和时间方向上的有序性。3）仅仅限于非共价键的超分子层次4）多组分在分子组分间由分子识别或动力学过程中产生特殊相互作用，表现出超分子的自组织和长程有序性，从而形成多分子有序体自组装的方式•无机结构的自组装•有机超分子的自组装•配位自组装•氢键自组装超分子化学发展史超分子的位置ThankYou!